鈦及鈦合金因其(qi)(qi)密度(du)小、比強度(du)高(gao)、耐腐蝕(shi)和生物相容(rong)性(xing)(xing)好等優良性(xing)(xing)能(neng)，是極其(qi)(qi)重(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)輕質結構材料，廣泛用(yong)于航空航天以及(ji)生物醫(yi)學(xue)等領域，具有重(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)價值(zhi)和廣闊的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)前景，與傳統同類醫(yi)用(yong)鈦(tai)合(he)金TC4相比而言，TC20鈦(tai)合(he)金選用(yong)原子濃(nong)度(du)相同且性(xing)(xing)能(neng)與組(zu)織穩定、無毒害作用(yong)的(de)(de)(de)Nb替代V，解決了TC20鈦(tai)合(he)金作為醫(yi)用(yong)置(zhi)換術關鍵性(xing)(xing)材料的(de)(de)(de)難題(ti)。

固溶(rong)時效(xiao)又稱強化熱(re)處(chu)理，通過(guo)調控鈦合(he)金(jin)相(xiang)變過(guo)程實現強化效(xiao)果，是TC20等α+β型合(he)金(jin)最主要的熱(re)處(chu)理方式。目前對于TC20的工業化研(yan)究只(zhi)限(xian)于熱(re)連軋線材(cai)(cai)(cai)與板材(cai)(cai)(cai)軋制(zhi)等領域，而對于全流(liu)程等溫(wen)鍛造的小(xiao)規(gui)格棒材(cai)(cai)(cai)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)與性(xing)能(neng)(neng)的研(yan)究相(xiang)對較少，為此本文研(yan)究了不同(tong)時效(xiao)溫(wen)度下TC20鈦合(he)金(jin)鍛造棒材(cai)(cai)(cai)的組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)演變及(ji)熱(re)處(chu)理工藝(yi)對其組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)和性(xing)能(neng)(neng)的影響，旨在為全流(liu)程鍛造生(sheng)產的TC20小(xiao)尺寸鈦合(he)金(jin)棒材(cai)(cai)(cai)提(ti)供生(sheng)產經驗。

試(shi)驗材料以(yi)及方法

試(shi)驗所用(yong)材料為(wei)寶雞鈦業股份有限公司生產，經真空自耗電弧爐二次熔煉的(de)(de)φ696mm錠(ding)型鑄錠(ding)，經過β區開坯鍛(duan)(duan)造+兩相(xiang)區鍛(duan)(duan)造(鐓粗和拔長)+兩相(xiang)區徑(jing)向鍛(duan)(duan)造等一系(xi)列(lie)工序生產的(de)(de)φ32mm棒材。根據YS/T 1262-2018的(de)(de)試(shi)驗方(fang)法測得(de)化學(xue)成分見表1，經金相(xiang)法測得(de)該棒材本體(ti)相(xiang)變點(dian)為(wei)1001℃。

表1鑄(zhu)錠(ding)化學成(cheng)分(fen)(質量分(fen)數，%)

熱處理(li)試(shi)驗在箱式電(dian)阻(zu)爐中進行，表2為熱處理(li)制度；檢測顯(xian)(xian)微(wei)組(zu)織采用(yong)Axiovert 200 MAT光學顯(xian)(xian)微(wei)鏡，利(li)用(yong)Clemexe成像(xiang)軟件配合光學顯(xian)(xian)微(wei)鏡確定顯(xian)(xian)微(wei)組(zu)織中初(chu)生α相(xiang)的(de)體積分(fen)數，室溫(wen)拉(la)伸性能檢測使用(yong)Instron 5885電(dian)子萬能材料試(shi)驗機(ji)，室溫(wen)沖擊(ji)韌性使用(yong)JNS 300擺錘式沖擊(ji)試(shi)驗機(ji)。

表2經鍛(duan)棒材(cai)熱處理制(zhi)度

試驗結果(guo)與討論分(fen)析

時效溫度對材料微觀組織的(de)影響

TC20固(gu)(gu)溶時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)主要依靠轉(zhuan)變(bian)(bian)β組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)在(zai)(zai)后續的(de)(de)(de)長時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)間時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)過(guo)程中析出(chu)彌(mi)散的(de)(de)(de)α固(gu)(gu)溶體(ti)，使合金(jin)在(zai)(zai)強韌性方面得(de)到(dao)協同提高(gao)(gao)。TC20鈦合金(jin)鍛棒在(zai)(zai)經(jing)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)區固(gu)(gu)溶+時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)處理(li)后的(de)(de)(de)顯微組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)為(wei)典型的(de)(de)(de)混合組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)，由(you)初生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)等(deng)軸α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)β轉(zhuan)變(bian)(bian)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)組(zu)(zu)成(cheng)，如圖1(a)所(suo)示。經(jing)950℃高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)固(gu)(gu)溶隨(sui)后空冷，會(hui)獲得(de)大(da)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)針(zhen)狀(zhuang)(zhuang)次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)及(ji)少數殘留(liu)β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，在(zai)(zai)隨(sui)后的(de)(de)(de)低溫(wen)(wen)(wen)(wen)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)過(guo)程中，形(xing)成(cheng)少量(liang)(liang)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)ω相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。隨(sui)著(zhu)(zhu)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度的(de)(de)(de)不(bu)斷升高(gao)(gao)，初生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)含(han)量(liang)(liang)與(yu)尺寸變(bian)(bian)化不(bu)大(da)，這是由(you)于(yu)(yu)950℃固(gu)(gu)溶溫(wen)(wen)(wen)(wen)度在(zai)(zai)TC20合金(jin)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)點附近，較(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)固(gu)(gu)溶溫(wen)(wen)(wen)(wen)度使得(de)過(guo)飽(bao)和(he)度增大(da)，而轉(zhuan)變(bian)(bian)β組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)在(zai)(zai)熱力學上屬于(yu)(yu)亞穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，隨(sui)后的(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)過(guo)程屬于(yu)(yu)亞穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)緩(huan)慢分解與(yu)析出(chu)，而亞穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)分解與(yu)析出(chu)優先在(zai)(zai)晶(jing)界(jie)(jie)等(deng)能量(liang)(liang)較(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)位置(zhi)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)，對于(yu)(yu)尺寸較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)初生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)基本不(bu)會(hui)產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)影(ying)響。次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)片層對隨(sui)后的(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度更加敏感，在(zai)(zai)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)過(guo)程中，次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)片層α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)從β晶(jing)界(jie)(jie)、α/β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)(jie)及(ji)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)晶(jing)內(nei)析出(chu)，其形(xing)貌表現為(wei)細(xi)長而又平(ping)直(zhi)的(de)(de)(de)松針(zhen)狀(zhuang)(zhuang)，如圖1(d)所(suo)示。并且次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α形(xing)貌以及(ji)尺寸隨(sui)著(zhu)(zhu)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度的(de)(de)(de)升高(gao)(gao)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)趨勢性變(bian)(bian)化：⑴當時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度為(wei)500/525℃時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)，次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)其相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)組(zu)(zu)元之間的(de)(de)(de)邊(bian)(bian)界(jie)(jie)比較(jiao)模(mo)糊(hu)，而隨(sui)著(zhu)(zhu)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度的(de)(de)(de)不(bu)斷升高(gao)(gao)，次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)周(zhou)圍其他組(zu)(zu)元之間的(de)(de)(de)邊(bian)(bian)界(jie)(jie)逐(zhu)漸(jian)變(bian)(bian)得(de)清晰；⑵隨(sui)著(zhu)(zhu)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度的(de)(de)(de)不(bu)斷升高(gao)(gao)，次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)形(xing)貌由(you)細(xi)針(zhen)狀(zhuang)(zhuang)逐(zhu)漸(jian)變(bian)(bian)得(de)短粗，進(jin)而當溫(wen)(wen)(wen)(wen)度達(da)(da)到(dao)600℃時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)，變(bian)(bian)成(cheng)典型的(de)(de)(de)板條狀(zhuang)(zhuang)聚集(ji)分布，寬度達(da)(da)到(dao)500℃試樣的(de)(de)(de)1.3～2倍(bei)。

圖1不同(tong)時效(xiao)溫度下(xia)的顯微(wei)組織

次(ci)生(sheng)細針(zhen)狀(zhuang)α相(xiang)片層組織的(de)形(xing)貌粗(cu)化(hua)是一種(zhong)外界溫(wen)度驅(qu)動下的(de)熱(re)力(li)(li)學激(ji)活過(guo)程，并且時效溫(wen)度越高(gao)，為此激(ji)活過(guo)程會提供更多的(de)生(sheng)長驅(qu)動力(li)(li)，同時降低了系統中(zhong)次(ci)生(sheng)組元(yuan)的(de)形(xing)核(he)速率，當(dang)系統處于一定的(de)溫(wen)度下，其次(ci)生(sheng)α相(xiang)的(de)形(xing)核(he)速率減慢，而(er)此時的(de)生(sheng)長驅(qu)動力(li)(li)加快(kuai)，進而(er)必將(jiang)促使次(ci)生(sheng)片層α相(xiang)發生(sheng)粗(cu)化(hua)，而(er)其粗(cu)化(hua)速率受到溶質原子(zi)的(de)擴散率所控制。

組織與力學性能的相(xiang)關性討論

TC20合金鍛造(zao)棒材(cai)(cai)不(bu)(bu)(bu)同時(shi)效狀態下(xia)力(li)學性(xing)(xing)能(neng)見表3，棒材(cai)(cai)經固溶(rong)(rong)時(shi)效處(chu)理(li)后(hou)，組織(zhi)中析出大(da)量(liang)次(ci)(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)片(pian)層狀α相，此(ci)時(shi)當沖擊形成的裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋向材(cai)(cai)料(liao)內部擴展(zhan)遇到(dao)取(qu)向不(bu)(bu)(bu)同的次(ci)(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α片(pian)層時(shi)，裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋會發生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)分解(jie)，使得一大(da)部分裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋方向發生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)改(gai)變，隨之(zhi)沿著次(ci)(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α片(pian)層的最易動位向進行擴展(zhan)，而大(da)量(liang)次(ci)(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α片(pian)層之(zhi)間(jian)(jian)相互縱橫(heng)交叉，次(ci)(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋的擴展(zhan)方向會不(bu)(bu)(bu)斷(duan)(duan)發生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)改(gai)變，所(suo)以α片(pian)層形貌上的粗化(hua)現(xian)象，會導致(zhi)斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)(lie)(lie)韌(ren)性(xing)(xing)值不(bu)(bu)(bu)斷(duan)(duan)下(xia)降(jiang)，時(shi)效溫(wen)度(du)高(gao)(gao)于550℃之(zhi)后(hou)，斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)(lie)(lie)韌(ren)性(xing)(xing)值降(jiang)低很快(kuai)；就材(cai)(cai)料(liao)強(qiang)(qiang)韌(ren)性(xing)(xing)而言(yan)，500～550℃之(zhi)間(jian)(jian)時(shi)，其(qi)抗拉強(qiang)(qiang)度(du)降(jiang)低不(bu)(bu)(bu)多，力(li)學性(xing)(xing)能(neng)比(bi)較平穩(降(jiang)幅在(zai)1.01%)，并(bing)且延伸(shen)率增(zeng)幅較大(da)(增(zeng)幅在(zai)25.9%)，隨后(hou)當溫(wen)度(du)高(gao)(gao)于550℃時(shi)，其(qi)延伸(shen)率急劇下(xia)降(jiang)后(hou)又逐漸(jian)恢復平穩狀態。結合室溫(wen)拉伸(shen)性(xing)(xing)能(neng)與沖擊性(xing)(xing)能(neng)，當固溶(rong)(rong)時(shi)效制(zhi)度(du)為(wei)950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時(shi)，斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)(lie)(lie)韌(ren)性(xing)(xing)值為(wei)56J/cm2，抗拉強(qiang)(qiang)度(du)為(wei)910MPa，延伸(shen)率為(wei)19%，實現(xian)了材(cai)(cai)料(liao)強(qiang)(qiang)韌(ren)化(hua)的協同提高(gao)(gao)。

表3不(bu)同時效(xiao)狀態下力(li)學性(xing)能

結論

⑴TC20鈦合金鍛棒在固溶時效(xiao)(xiao)處理后(hou)為(wei)典型的混(hun)合組織，并且隨著時效(xiao)(xiao)溫度(du)的不斷升(sheng)高，次生α相的形態由細針(zhen)狀(zhuang)逐漸(jian)轉變為(wei)板條狀(zhuang)，發生熱激(ji)活下(xia)的粗化現象。

⑵初生(sheng)α相的含量以及(ji)形貌(mao)對試驗所設時效(xiao)溫度(du)不(bu)敏感(gan)。

⑶固溶(rong)時(shi)(shi)效制(zhi)度(du)為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時(shi)(shi)，斷(duan)裂(lie)韌(ren)性值為56J/cm2，抗(kang)拉(la)強度(du)為910MPa，延伸率為19%，實現了鍛造(zao)棒材強韌(ren)化的(de)協同提高。